• 注册
  • 太空探索 太空探索 关注:348 内容:312

    玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

  • 查看作者
  • 打赏作者
  • 当前位置: 博科园 > 太空航天 > 太空探索 > 正文
    • 太空探索
    • Lv.19分子
      VIP4博科园 VIP
      普朗克

      假设爱丽丝和鲍勃都被要求准备一顿饭。爱丽丝喜欢中国,鲍勃喜欢意大利。他们各自挑选自己最喜欢的菜谱,在当地的专卖店购物,并仔细遵循说明。但是当他们把盘子从烤箱里拿出来时会大吃一惊,因为这两顿饭原来是一样的。我们可以想象爱丽丝和鲍勃必须问自己的存在主义问题。不同的配料怎么能生产出同样的菜呢?做中餐还是意大利菜是什么意思?他们准备食物的方法是否完全有缺陷?

      玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

      图片:James O’Brien/Quanta Magazine

      博科园-科学科普:物理学没有定律,只有风景?(“此定律非彼定律,此风景非彼风景”)这正是量子物理学家所经历的困惑,他们发现了许多关于同一物理系统的两种完全不同描述的例子。在物理学方面,而不是肉类和酱汁,成分是粒子和力;配方是编码相互作用的数学公式;烹饪过程是将方程转化为物理现象概率的量化过程。就像爱丽丝和鲍勃一样,量子物理学家们也在想,不同的食谱是如何导致相同结果的?

      大自然有选择其基本规律?阿尔伯特·爱因斯坦曾认为,考虑到一些一般原则,本质上有一种独特方法来构建一个一致功能正常的宇宙。在爱因斯坦看来,如果我们对物理学本质进行足够深入的探讨,就会有一种,也只有一种方法,使所有成分(物质、辐射、力、空间和时间)能够结合在一起使现实工作,就像机械钟的齿轮、弹簧、刻度盘和轮子独特地结合在一起来计算时间一样。

      目前的粒子物理标准模型确实是一个结构严密的机制,只有少数几个成分。然而,宇宙似乎不是独一无二的,而是一个无限可能的多元宇宙。我们不知道为什么这种粒子和力的特殊组合构成了自然界的结构。为什么会有六种夸克,三代中微子和希格斯粒子等等?此外标准模型有19个自然常数(如电子的质量和电荷)必须在实验中测量。这些“自由参数”的值似乎没有任何更深层次的含义。一方面,粒子物理是一种奇妙的优雅;另一方面,它是一个刚刚好的故事。

      玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

      如果我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,要如何处理这些替代方案?目前的观点可以看作是爱因斯坦关于一个独特宇宙梦想的对立面。现代物理学家拥抱广阔的可能性空间,并试图理解其总体逻辑和相互联系。“他们从淘金者变成了地理学家和地质学家,详细绘制了地形图,并研究了形成地形的各种力量”。

      导致这种视角转换的游戏改变者是弦理论。在这一刻,它是唯一可行的候选者,因为一个自然理论能够描述所有的粒子和力,包括引力,同时遵守量子力学和相对论的严格逻辑规则。好消息是弦理论没有自然常数。它没有可以转动的刻度盘。问哪个弦理论描述我们的宇宙是没有意义的,因为只有一个。没有任何附加的特性会导致根本后果。自然界的所有数字都应该由物理本身决定。它们不是“自然常数”,只是由方程固定的变量(也许是难以处理的复杂变量)。

      这就带来了坏消息。弦理论的解,空间是广阔而复杂的。这在物理学中并不少见。传统上区分由数学方程给出的基本定律和这些方程的解。通常只有少数几个定律,但有无限多的解决方案。以牛顿定律为例。它们既清脆又优雅,但却描述了各种各样的现象,从苹果的下落到月球轨道。如果知道一个特定系统的初始条件,这些定律的力量可以解出方程,并预测接下来会发生什么。我们不期望,也不需要一种先验独特的解决方案来描述一切。

      玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

      在弦理论中,我们通常会考虑自然规律的某些物理特征(比如特定的粒子和力)实际上是解。它们是由隐藏的额外尺寸的形状和大小决定的。所有这些解决方案的空间常常被称为“景观”,但这是一种轻描淡写的说法。即使是最令人敬畏的山景,与这片广阔的空间相比,也显得黯然失色。虽然我们对它的地理只了解得很少,但我们知道它有着巨大规模的大陆。最诱人的特点之一是,可能所有的东西都是相连的,也就是说,每两个模型都是由一条完整的路径连接起来的。通过足够大的震动,可以从一个可能的世界移动到另一个可能的世界,改变我们所认为的不可改变的自然规律和构成现实基本粒子的特殊组合。

      但是,我们如何探索宇宙物理模型的广阔景观,这些模型可能有数百个维度?把风景想象成一片大部分未开发的荒野是很有帮助的,其中大部分都隐藏在复杂而复杂的厚厚的层层之中。只有在边缘才能找到适合居住的地方。在这些前哨基地,生命简单而美好。在这里找到了我们完全理解的基本模型。它们在描述真实世界方面没有多大价值,但却是探索当地区域的方便起点。

      玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

      一个很好的例子是量子电动力学理论(QED),它描述了物质和光之间的相互作用。这个模型只有一个参数,叫做精细结构常数α,它测量两个电子之间的力强度。在数字上,它接近于[数学处理误差]。在量子电动力学理论(QED)中,所有过程都可以看作是由基本相互作用产生的。例如两个电子之间的排斥力可以形象化为光子的交换。QED要求我们考虑两个电子可能交换光子的所有可能方法,这实际上意味着物理学家必须解决无限大复杂性的总和。但是这个理论也提供了一条出路:每一次额外光子交换都会增加一个包含α的术语,它被提升到一个额外的“功率”。由于这是一个相对较少的数目,因此与许多“交易所的条款”只作出了很小的贡献,它们可以在近似于“实”值的情况下被忽略。

      我们在景观的前哨发现了这些弱耦合理论。在这里,力的强度很小,谈论基本粒子的清单和计算它们相互作用是有意义的。但是如果离开附近的环境,深入到荒野中去,耦合就会变得很大,每一次扩展中的附加术语都变得更加重要。现在我们不能再区分单个粒子了。相反,它们会溶解成一个纠缠的能量网,就像在热烤箱中蛋糕融化的成分一样。

      玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

      然而,并不是所有的东西都丢失了。有时穿过黑暗荒野的道路会在另一个前哨结束。也就是说,在不同的控制模型中,这一次是由完全不同的粒子和力组成的。在这样的情况下,有两种不同的方法可以用于相同的物理基础,就像爱丽丝和鲍勃的菜肴一样。这些互补的描述称为对偶模型,它们之间的关系是二元的。可以把这些对偶看作海森堡发现著名粒子波对偶性的一个大推广。对爱丽丝和鲍勃来说,它的形式是在中国和意大利食谱之间进行翻译。

      为什么这一切对物理学来说如此令人兴奋?首先得出的结论是:许多模型(如果不是全部的话)都是一个巨大的互联空间的一部分,这是现代量子物理学最令人吃惊的结果之一。这是一种观点的转变,值得用“范式转变”这个术语来形容。它告诉我们,没有探索一个群岛,而是发现了一个巨大的大陆。从某种意义上说,只要对一个模型进行足够深入的研究,就可以把它们全部研究出来。可以探讨这些模型是如何联系起来的,说明它们的共同结构。重要的是要强调,这个现象在很大程度上独立于弦理论是否描述现实世界的问题。这是量子物理学的一个内在属性,无论未来的“万物理论”会变成什么,它都将继续存在。

      玩笑吗?物理学没有定律,只有风景?

      一个更引人注目的结论是,所有传统的基本物理描述都必须被抛弃。粒子、场、力、对称都是在这个复杂的巨大景观中,前哨简单存在的产物。用基本的积木来思考物理似乎是错误的,或者至少是有限的。也许有一种根本的新框架,把自然的基本规律统一起来,无视所有熟悉的概念。弦理论的数学复杂性和一致性是这一戏剧性观点的强烈动机的主导。但我们必须诚实,用尼尔斯·波尔的话来说:目前很少有关于什么取代粒子和场的想法是“疯狂到真的”。就像爱丽丝和鲍勃一样,物理学已经准备好抛弃旧的食谱,接受一种现代的融合美食。

    • 生成海报
    • 请登录之后再进行评论

      登录

      赞助商

    • 相互支持,合作共赢 Win-Win Cooperation

      邀请好友加入【博科园】有奖励啦♪

    • 实时动态
    • 任务
    • 偏好设置(换皮肤)
    • 到底部
    • 帖子间隔 侧栏位置:
      关闭窗口
      下载海报